3.4.2信号处理模块的软件设计流程

　　根据信号的特征和信号处理的方式，这一模块的实现主要可以分为两大部分：第一部分为对传感器传来信号的处理，它们的信号处理流程相似，我们一瓦斯信号的处理流程做例进行详解；第二部分为图像信号处理模块，不同于前面所提到的信号的处理方式，其设计到图像采集和压缩等问题，因此我们将其实现流程单独讲解。

　　3.4.2.1非图像信号处理软件设计

　　（1）PID算法介绍

　　为了将瓦斯浓度维持在一个正常的水平，要求系统能够接受地面控制中心的控制参数对通风电机进行控制，同时为了体现灵活性，要求系统在平时能够自我调控，减少人的工作量。本次设计选用PID控制器实现平时系统的自我调节。系统能够根据瓦斯的浓度自动调节通风电机的转速，同时又能保证在紧急时刻将控制权交给地面控制中心。PID算法控制原理如图3.4.2.1-1所示：

　　PID是比例、积分、微分的缩写，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器就称为PID控制器。本次设计之所以选择PID控制器，主要是考虑到PID具有以下优点：技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、控制效果好。

　　如图3.4.2.1-1所示，该系统有模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)，有e(t)=r(t)-y(t)。e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为控制器的输出和被控对象的输入。

　　模拟PID控制器的控制规律为：

　　式3.4.2.1

　　其中：y(t) ——调节器的输出信号；

　　e(t) ——调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；

　　KP ——调节器的比例系数；

　　TI ——调节器的积分时间；

　　TD——调节器的微分时间。

　　在式3.4.2.1中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制的过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0，输出的u(t)才可能维持在某一常量，是系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。微分环节的作用是组织偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变化之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减少超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。

　　(2)瓦斯控制模块程序流程

　　瓦斯控制模块的流程如如图3.4.2.1-2所示：

　　本程序在采样时刻到达以时，才会打开相关信号通道，在本模块中先采集瓦斯浓度信号，然后程序运行。

　　为了保证所设计产品的实用性和灵活性，允许其根据实际需要，因使用环境的不同或其它一些因素调节相应的初始参数。在程序的每次运行的开始都要检测是否有修改参数的请求，若有则保存修改后的参数，然后采集经A/D转换后的瓦斯浓度信号。通过数字信号滤波以后，将有用的信号传寄给PID控制单元，并通过网络模块上传到上位机。

　　数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。常用的数字滤波方法有算数平均值滤波、中位值滤波、惯性滤波、加权平均值滤波和限幅滤波。从实际需要，本次设计采用的是算数平均值滤波。公式如下所示：

　　算数平均值滤波可以对周期脉动的采样值进行平滑加工。可以提高本次设计所采集数据的精确度。